最近，九三學社中央副主席、中國科學技術大學常務副校長潘建偉及同事張軍等在國際上首次實現1.25 GHz InGaAs/InP單光子探測器單片集成讀出電路，該技術突破可使高速量子通信終端設備中體積占比最大的探測器模塊尺寸減小一個數量級以上，為未來研制小型化量子通信系統奠定了重要的器件基礎。相關成果發表于光學領域權威期刊《光學快報》[Optics Letters 42, 5090 (2017)]。
單光子探測器是微弱光測量最靈敏的儀器，在量子信息、激光雷達、光纖傳感、生物熒光探測等領域有廣泛的應用需求。在量子通信系統中，通信波段單光子探測器是其中的核心器件，其性能直接決定了通信距離、通信速率等關鍵參數。目前主流的通信波段單光子探測解決方案包括上轉換單光子探測器、超導納米線單光子探測器和InGaAs/InP雪崩二極管單光子探測器。InGaAs/InP單光子探測器具有成本低、體積小、無需超低溫制冷等優勢，已在實用化量子通信等領域得到廣泛應用。
提高門控工作頻率、提升系統集成度是InGaAs/InP單光子探測器研究方向上最重要的技術挑戰。2012年以前，我國所有的量子通信網絡中使用的該類型探測器工作頻率均不超過10 MHz，嚴重制約了通信距離和通信速率。潘建偉團隊通過發展正弦門控、集成濾波、后脈沖精確標定等一系列關鍵技術，于2012年在國際上首次研制出板級集成的1.25 GHz InGaAs/InP單光子探測器[Review of Scientific Instruments 83, 083111 (2012)]，將工作頻率提升了兩個數量級以上，同時探測器系統體積降為2U標準機箱尺寸。此后，該團隊進一步研制出符合電信工業標準的四通道集成高速單光子探測器板卡，再次提升了探測器系統集成度。這些高速探測器率先在“863項目”—“光纖量子通信綜合應用演示網絡”中遠距離試驗床和“濟南量子通信試驗網”等網絡中進行了長期測試，整體性能和穩定性得到有效驗證，并在量子保密通信“京滬干線”技術驗證及應用示范項目中得到規模化的應用。
針對未來對小型化量子通信設備的迫切需求，需要進一步減小高速單光子探測器的體積。為此，潘建偉團隊在上述研究基礎上，進一步發展了新型微弱雪崩信號提取技術，并利用低溫共燒陶瓷（LTCC）技術，最終研制出1.25 GHz單光子探測器的單片集成讀出電路芯片，尺寸為15mm×15mm。該芯片應用于探測器系統后，經性能表征，-50℃條件下探測效率為27.5%、暗計數為1.2 kcps，與采用板級集成的讀出電路的測試結果幾乎一致，芯片的功能特性得到驗證。隨后對該芯片進行70小時的連續性測試，指標參數保持不變，芯片的穩定性得到驗證。
下一步，利用光電集成技術，可實現上述單片集成讀出電路芯片與InGaAs/InP雪崩二極管芯片和微型熱電制冷器的混合集成，形成高速單光子探測器集成組件，并與探測器系統附屬電路相結合，最終實現一體化集成的微型高速單光子探測器模塊。經測算，與現有同功能高速單光子探測器相比，該模塊體積可減小20倍，這為小型化量子通信系統的研制提供了有力支撐。
該工作得到了科技部、自然科學基金委、教育部、中科院等單位的資助。
